Ekonomiczna analiza produkcji energii z biomasy

FOLIA POMERANAE UNIVERSITATIS TECHNOLOGIAE STETINENSIS
Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin. 2009, Oeconomica 275 (57), 95–102
Matej POLÁK
EKONOMICZNA ANALIZA PRODUKCJI ENERGII Z BIOMASY
ANALYSIS OF ENERGY PRODUCTION FROM BIOMASS
Uniwersytet Ekonomiczny Bratysława, PFH Koszyce
ul. Tajovského 13, 041 30 Košice, e-mail: [email protected]
Abstract. The analysis of amount of the thermal and electric energy produced by utilizing one
type of biomass and organic additions as well as the realization of economical analysis of conversion of primary energy of the batch to the end electric and thermal energy were the aim of
this work. Investigations were conducted at the biogas production station Kapušany equipped
with the cogeneration unit of 120 kW in power. As basic fermentative raw material maize was
used besides liquid manure and dung that were used as additions. It was stated that with help
of the applied cogeneration unit the acreage needed to maize cultivation was ca 70 ha. It is
possible to produce 16 800−19 600 kWh of electricity and ca from 14 000 to 16 000 kWh of heat
from 1 ha. The profit achieved from annual exploitation of the biogas station was 869 400 Sk.
Słowa kluczowe: biogaz, biomasa, fermentacja anaerobowa, stacja biogazu.
Key words: anaerobic fermentation, biogass, biomass, biogass station.
WSTĘP
Energia jest kluczowym fenomenem rozwoju kaŜdego społeczeństwa. Do Ŝycia potrzebna
jest energia w postaci ciepła, światła, materiałów pędnych itp. Jeszcze przed trzema, czterema
pokoleniami, co z punktu widzenia rozwoju ludzkości jest bardzo krótkim okresem, biomasa
była jedynym źródłem energii – ciepła. Lecz wystarczyło jedno stulecie, aby w wyniku znacznego rozwoju transportu i przemysłu w sposób konwencjonalny rozumiana i produkowana
biomasa w nowoczesnej energetyce została zastąpiona paliwami kopalnymi – węglem, ropą
naftową, gazem itp. (Vigľaský 2006). Obecnie na świecie dominują paliwa kopalne, a ich
zuŜycie w Słowacji stanowi prawie 80% pierwotnych źródeł energetycznych. Udział energetyki
jądrowej stanowi 17%, a pozostałe 3% to energetyka wodna i inne odnawialne źródła energii.
Z punktu widzenia warunków przyrodniczych, dostępności, ceny i moŜliwych rozwiązań
alternatywnych biomasa jest najbardziej perspektywicznym nośnikiem energii w Słowacji.
Biomasa ma wiele ukrytych cech i jest w stanie zaspokoić zapotrzebowanie energii na
produkcję prądu elektrycznego, ciepła i paliw. Jest bardzo atrakcyjnym surowcem, poniewaŜ
generuje zysk w sferach komunalnej, rzemieślniczej i przemysłowej. Biomasa ma jedną wielką zaletę, a mianowicie jest do dyspozycji w dowolnym czasie, eliminuje wszelkie ryzyko
i jest waŜnym Ŝródłem bezpiecznego zaopatrzenia w energię. W krajach wysoko rozwiniętych (Austria, Niemcy, Szwecja, Dania) jej udział w globalnym zapotrzebowaniu na bioenergię stanowi obecnie 6−8%. Przy czym potencjał biomasy do 2020 roku ma pokryć 20–24%
96
M. Polák
obecnego zapotrzebowania energii potrzebnej na produkcję prądu elektrycznego i energii
cieplnej. Obecnie energia z biomasy stanowi zaledwie 4% energii całkowitej zuŜywanej przez
Słowację. Według szacunków bioenergetyczny potencjał Słowacji wynosi 20–30%. Biomasa
w Słowacji i w UE moŜe zastąpić znaczną (20–40%) część paliw kopalnych. Biomasa jest
podstawą zamkniętego obiegu CO2 w przyrodzie. W procesie spalania uwaŜana jest za paliwo neutralne. Wprawdzie podczas spalania wydzielany jest CO2, ale w ilości w przybliŜeniu
równej zapotrzebowaniu podczas jej wegetacji w procesie asymilacji. Biomasa wraz z innymi
źródłami energii odnawialnej (oprócz tego, Ŝe umoŜliwia zwiększenie efektywności energetycznej, co jest konieczne z punktu widzenia ochrony klimatu) umoŜliwia bezpieczne zasilanie
w energię, niezaleŜnie od ropy naftowej, i przyczynia się do zmniejszania ubóstwa na świecie.
Biogaz produkowany jest z masy organicznej poddanej fermentacji anaerobowej w zamkniętych zbiornikach. W tych warunkach masa organiczna (biomasa) ulega rozkładowi,
w wyniku czego powstają substancja gnilna, metan (CH4) CO2, siarkowodór i inne gazy. W produkcji biogazu wykorzystuje się proces występujący w naturze. Masę organiczną poddaje się
fermentacji w gazoszczelnym zbiorniku (fermentatorze), w temperaturze 38–40°C, w celu
zapewnienia bioenergetycznej transformacji substancji organicznej, podczas której nie dochodzi do obniŜenia jej wartości opałowej (rys. 1).
Pojemnik na gaz
Kogenerator
Energia elektryczna
Zbiornik
homogenizacyjny
Użyteczna energia cieplna
Gnojowica
◊
Fermentator
– ogrzewanie
Separacja
Wykorzystanie w rolnictwie
◊ – mieszanie
Frakcja stała
Mieszadło
Odpad pofermentacyjny
Wykorzystanie w rolnictwie
Frakcja płynna
Rys. 1. Schemat technologiczny stacji biogazu w PD Kapušany
Zastosowana w stacji biogazu technologia (dalej BPS) jest zbiorem procesów, w których
mieszanina mikroorganizmów biologicznie rozkłada substancję organiczną bez dostępu powietrza. W większości przypadków w technologii tej wykorzystuje się dwa zbiorniki umieszczone obok siebie lub cylindryczne zbiorniki umieszczone jeden wewnątrz drugiego, przy
czym zewnętrzny większy zbiornik słuŜy do zakończenia procesów anaerobowych a mniejszy zbiornik wewnętrzny, do intensywnej anaerobowej fermentacji. Materiał wejściowy do-
Ekonomiczna analiza produkcji...
97
starczany jest do zbiornika fermentacyjnego przez specjalnie do tego celu przystosowany
zasyp, który swoją konstrukcją zabezpiecza biogaz przed ewentualnym wypływem ze zbiornika. Na obwodzie zbiornika umieszczona jest węŜownica, której zadaniem jest utrzymanie
właściwej temperatury niezbędnej do przebiegu fermentacji. W celu zapewnienia jednolitej
temperatury i gęstości fermentowanej masy w zbiorniku, w zaleŜności od jego pojemności,
umieszcza się 3–4 mieszadła. Podczas procesu fermentacyjnego z materiału wsadowego
wydzielają się sucha masa i piasek. Są one mechanicznie zgarniane do rusztu, skąd są
przenośnikiem wygarniającym transportowane do oddzielnego zbiornika.
W najwyŜej połoŜonym miejscu zbiornika fermentacyjnego usytuowane jest urządzenie do
odbioru biogazu. Jest ono wyposaŜone w odpowiednie zawory i, ewentualnie, w instalację do
odsiarczania biogazu. Biogaz magazynowany jest w specjalnym zbiorniku gazu o zmiennej
objętości. Produktami ubocznymi procesu fermentacji są frakcja stała o wysokiej wartości
nawozowej oraz biogaz o zawartości 55–70% metanu i wartości opałowej 18–26 MJ·m–3.
Biogaz jako produkt końcowy podlega ostatecznej obróbce poprzez jednostkę kogeneracyjną
w siłowni, a wyprodukowana energia elektryczna moŜe być wykorzystana na potrzeby własne lub odsprzedana sieci energetycznej.
Celem pracy jest analiza ilości wyprodukowanej energii elektrycznej i energii cieplnej przy
zastosowaniu jednego rodzaju biomasy i dodatków organicznych oraz przeprowadzenie analizy ekonomicznej przemiany energii pierwotnej wsadu na energię końcową elektryczną i cieplną.
MATERIAŁ I METODY
Badania przeprowadzono w stacji produkcji biogazu w PD Kapušany z jednostką kogeneracyjną o mocy 120 kW, której schemat przedstawiono na rys. 1. Jako podstawowy surowiec
wsadowy do fermentacji zastosowano kukurydzę, a dodatki stanowiły obornik i gnojowica.
Do produkcji biogazu zastosowano zbieraną na świeŜą masę kukurydzę z zawartością suchej masy wynoszącą 30–35%, przy plonie 40 t·ha–1. Fermentator zasilano codziennie kukurydzą w ilości 4–5 t (do badań przyjęto średnie zasilanie wynoszące 3 t). Obornik oraz gnojowicę dodawano 1–2 razy w tygodniu w ilości 1–2 t. Obornik i gnojowica pochodziły z miejscowej fermy krów mlecznych. Długość cyklu fermentacyjnego uzaleŜniona była od zawartości suchej masy i wynosiła 20–30 dni. Badania zostały przeprowadzone w okresie
20.9. –30.9.2007 i 5.10.–20.10.2007 roku. Pomiary wykonywano za pomocą urządzeń pomiarowych stanowiących wyposaŜenie instalacji biogazowni.
Do określenia wartości przeliczeniowych biomasy na energię zastosowano metodę opracowaną przez Instytut Badawczy Techniki Rolniczej w Pradze (VUZT Praha 2002).
WYNIKI I DYSKUSJA
Teoretycznie do procesu fermentacji moŜe być uŜyta kaŜda substancja organiczna o duŜej zawartości frakcji płynnej i zawartości suchej masy wynoszącej poniŜej 50%. JednakŜe
dla zapewnienia efektywności procesu fermentacji właściwości substancji organicznych powinny mieścić się w optymalnym zakresie (Preimnger 1991). Podstawowe właściwości materiałów podano w tab. 1.
98
M. Polák
Tabela 1. Podstawowe właściwości materiałów
Substancja organiczna
PowyŜej 50%
Sucha masa
Stosunek C:N
pH
5–25
20–30:1
6,5–7,5
Źródło: Výskumný Ústav Zemědelské Techniky (2002).
Ilości produkcji biogazu i metanu, oraz energii elektrycznej E i energii cieplnej T podano w tab. 2.
Tabela 2. Uzysk biogazu w BPS Kapušany
Ilość biogazu
3
–1
[m · t ]
Ilość metanu
3
–1
[m · t ]
Plon kukurydzy na świeŜą
–1
masę [40 t · ha ]
200,00
130,0
Obornik
015,00
016,0
Gnojowica
006,00
010,0
Surowiec
Wyprodukowana energia
elektryczna E i energia
–1
cieplna T [KWh · t ]
E – 467
T – 420
E – 89
T – 80
E – 53
T – 48
Wartości przeliczeniowe biomasy na energię. Kukurydza na świeŜą masę = 3 t = 1 t
suchej masy = 600 m3 biogazu
600 m3 biogazu = 390 m3 biometanu
Energia pierwotna: 1 t suchej masy kukurydzy = 5000 kWh
Metan = 390 m3
+ 3900 kWh
Energia do procesu przemiany (ciepło)
– 900 kWh
Energia netto = 3000 kWh
3000 kWh
Stosunek przemiany = 60%
Stosunek przemiany jest to wartość energii uzyskanej na wyjściu zbiornika fermentacyjnego
przed jej wykorzystaniem w jednostce kogeneracyjnej. Uzyskany w ten sposób biogaz moŜna
by wykorzystać w transporcie. W naszym przypadku z biometanu produkowana była energia
elektryczna i cieplna; stosunek przemiany energii pierwotnej do energii wtórnej był następujący:
1 t suchej masy kukurydzy zbieranej na świeŜą masę = 5000 kWh
Energia elektryczna = 1400 kWh
Energia cieplna = 1260 kWh
Razem = 2660 kWh
Przy wykorzystaniu energii cieplnej i energii elektrycznej stosunek przemiany wynosi 53%,
natomiast przy wyłącznej produkcji energii elektrycznej – 28%. Koszty bezpośrednie 1 t suchej
masy kukurydzy wynosiły 1162,50 Sk, a koszty 1 t suchej masy obornika – 360 Sk, co miało
wpływ zarówno na ilość wyprodukowanej energii, jak i na jej cenę. Cena 1 kWh energii elektrycznej wyprodukowanej z kukurydzy wynosiła 0,83 Sk · kWh–1, a wyprodukowanej z obornika –
0,25 Sk · kWh–1 . Średnia ilość energii elektrycznej wyprodukowanej w ciągu godziny wynosiła
w przypadku kukurydzy 85–95 kWh, a w przypadku obornika – 70–75 kWh. Jak z tego wynika,
wybór procesu technologicznego przemiany energii nie jest jedynym kryterium przemiany biomasy.
NaleŜy równieŜ brać pod uwagę rodzaj surowców odnawialnych (kukurydzę, lucernę, róŜnego
rodzaju mieszanki) oraz ubocznych produktów (odpadów) przetwórstwa rolno-spoŜywczego.
ZaleŜność uzysku energii na jednostkę powierzchni. Przewiduje się, Ŝe w przyszłości
rozwój produkcji energii w rolnictwie i leśnictwie będzie ograniczała powierzchnia gruntów
Ekonomiczna analiza produkcji...
99
przeznaczonych pod uprawę roślin energetycznych. Dlatego waŜne jest, aby w dalszym ciągu prowadzone były badania nad moŜliwością produkcji energii w zaleŜności od powierzchni
upraw roślin energetycznych. Istnieje spora ilość danych, które umoŜliwiają realną ocenę
potencjału gleb. Przy czym waŜne są realne plony, a nie wyniki badań prowadzonych na
poletkach doświadczalnych. Oprócz tego naleŜy oceniać wybraną technologię przemiany
dopiero po ostatecznej optymalnej synchronizacji i porównaniu danych z produkcji roślinnej
z danymi uzyskanymi przy zastosowanej technologii przemiany na energię – dopiero wtedy
moŜna mówić o uzyskaniu właściwej wartości uzysku końcowej energii w przeliczeniu na 1 ha.
Dane będą się róŜnić w zaleŜności od produkcji w poszczególnych regionach i od warunków
miejscowych. ZróŜnicowanie to wynika z klasyfikacji gleb, ilości opadów, temperatury, długości dnia. Są to decydujące parametry, które w ostatecznym rozrachunku będą miały wpływ
na ilość i jakość wyprodukowanej biomasy. Wynika z tego, Ŝe w kaŜdym regionie naleŜy
przeprowadzić pewne działania energopolityczne, które pozwolą na dostosowanie się do
warunków produkcji roślinnej.
Kalkulacja nakładów i wydajności energii z biomasy. Stacja biopaliw w Kapušanach
koło Prešowa jest eksploatowana juŜ drugi rok. Celem zakładu eksploatującego stację była
maksymalizacja końcowej ilości energii, przy nakładach zapewniających konkurencyjność
wyprodukowanej ilości energii elektrycznej i energii cieplnej.
Koszty budowy BPS:
1. Budowle (podwójny zbiornik fermentacyjny z izolacją
oraz pozostałe budowle) – 43%
12,9 mln Sk
2. Jednostka kogeneracyjna (silnik gazowy , zbiornik gazu,
koszty podłączenia do sieci) – 23%
6,9 mln Sk
3. Ogrzewanie technologiczne (akumulacja ciepła odpadowego,
ogrzewanie fermentatora oraz podłączenie pozostałych
odbiorników ciepłej wody) – 17%
5,1 mln Sk
4. Zagospodarowanie gnojowicy (urządzenia do przepompowywania
i mieszania, rurociągi, samochód asenizacyjny do przewozu
gnojówki) – 13%
3,9 mln Sk
5. Przygotowanie projektu – 4%
1,2 mln Sk
––––––––––––––––
Razem 30 mln Sk
Inwestycyjne koszty budowy BPS uzaleŜnione są od wielu róŜnych czynników, wśród których do najwaŜniejszych naleŜą wielkość urządzenia, zainstalowana technologia oraz sposób
wykonania obiektu (wybudowanego sposobem gospodarczym lub przez specjalistyczną firmę).
Koszty budowy sposobem gospodarczym wynoszą obecnie 11760–20160 Sk · DJP–1 co stanowi około 350600 euro · DJP–1. Przy budowie stacji przez firmę specjalistyczną nakłady odpowiednio wynoszą 18480–50400 Sk · DJP–1, 550–1500 euro · DJP–1. Roczne nakłady eksploatacyjne w BPS Kapušany wynoszą 3,4mln Sk (118 tys.–162 tys. euro).
Nakłady na produkcję biomasy. Kalkulacja dotyczy nakładów poniesionych w roku 2007.
Przy plonie kukurydzy wynoszącym 40 t · ha–1, przy zawartości suchej masy 30–35%, moŜna
uzyskać plon suchej masy wynoszący 12–14 t z hektara. Z jednego hektara moŜna zatem
wyprodukować 16 800–19 600 kWh energii elektrycznej i około 14–16 tys. kWh ciepła.
100
M. Polák
Powierzchnia potrzebna do uprawy kukurydzy łącznie ze stratami (przy mocy jednostki
kogeneracyjnej 120 kW) wynosi 70 ha.
Przy całorocznej eksploatacji BPS wynoszącej 7200 h moŜna osiągnąć następujące
wyniki ekonomiczne:
– wyprodukowana energia elektryczna:
864 000 kWh · cena 4,20 Sk · kWh–1 = 3 620 000 Sk
– wyprodukowana energia cieplna
764 000 kWh · 0,85 Sk = 649 000 Sk
– zysk ze sprzedaŜy energii = 4 269 400 Sk
Przy nakładach 3,4 mln Sk z wyprodukowanej energii elektrycznej i cieplnej w roku 2007
osiągnięto zysk wynoszący 869 400 Sk.
PODSUMOWANIE
Dla spółdzielni produkcyjnych, ferm i rzemieślników pojawia się nowa moŜliwość produkcji
energii z biomasy na urządzeniach biogazowi, z wykorzystaniem odpadów z przemysłu rolno-spoŜywczego. Powierzchnia uprawy kukurydzy w gospodarstwie uzaleŜniona jest od mocy
jednostki kogeneracyjnej. Stwierdzono, Ŝe przy mocy zastosowanej jednostki kogeneracyjnej
wynoszącej 120 kW powierzchnia potrzebna do uprawy kukurydzy (łącznie ze stratami
w plonie 40 ton · ha–1) wynosi ok. 70 ha. Oznacza to, Ŝe z jednego hektara moŜna uzyskać
16 800–19 600 kWh energii elektrycznej i około 14–16 tys. kWh ciepła. Przy załoŜeniu, Ŝe
stacja biogazu jest eksploatowana przez 7200 h w roku, moŜna wyprodukować ok. 860 tys. kWh
energii elektrycznej i ok. 760 tys. kWh energii cieplnej.
Stacja biogazu, w której przeprowadzono badania, przy relacjach cenowych z 2007 roku i rocznych nakładach eksploatacyjnych wynoszących 3,4 mln Sk, osiągnęła zysk w wysokości 869 400 Sk.
Ustawa o odnawialnych źródłach energii nr 70/1998 obowiązuje na Słowacji od 1998 roku.
Ustawa ta dała impuls do rozwoju odnawialnych nośników energii, lecz nadal brakuje aktywnych narzędzi wspierających tę politykę. NaleŜy określić atrakcyjne taryfy na energię elektryczną, ekourządzenia i inne nośniki energii.
W róŜnych krajach sprawdziły się róŜne instrumenty mające pozytywny wpływ na rozwój
produkcji biomasy. Zaliczyć do nich moŜna np.:
─ wysokie podatki na paliwa kopalne;
─ programy wspierające przedsięwzięcia inwestycyjne, zamianę systemów grzewczych
wykorzystujących paliwa kopalne na systemy wykorzystujące odnawialne źródła energii;
─ wprowadzenie na większą skalę programów i kampanii informacyjnych i szkoleniowych;
─ zabezpieczenie dostatecznej podaŜy biopaliw.
Zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii w globalnej produkcji energii, które preferowane jest przez UE, byłoby uzasadnione, gdyby władze UE uwzględniały nie tylko kwoty
ilościowe produkcji energii ciepła i paliw, ale równieŜ regionalne warunki przyrodnicze, które
w róŜnych krajach są róŜne. Dlatego UE powinna zwracać większą uwagę na efektywniejsze
wspieranie i dotowanie systemów energetycznych w stosunku do energii wyprodukowanej
z 1 ha przy optymalnych nakładach.
Ekonomiczna analiza produkcji...
101
PIŚMIENNICTWO
Preimnger M. 1991. Energetické hodnocení struktúry rastlinné výroby [in: Bioenergetika a energetické
plodiny]. Pardubice ČSVTS, 79–80.
Vigľaský J. 2006. Regionálne prírodné zdroje energie – neobnoviteľné i obnoviteľné, ich racionálne
využívanie. Bardejovské Kúpele, [b.w.], 33–42, ISBN 80-225-2276-7.
Výskumný Ústav Zemědelské Techniky 2002. Ekonomika výroby bioplynu. Model ekonomiky BPS.
2002. [b.w.].